CC BY
257
УДК 53.082.54
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ВИБРОМЕТР НА ОСНОВЕ ИНТЕРФЕРОМЕТРА МАЙКЕЛЬСОНА
Илья Сергеевич Глебус
Конструкторско-технологический институт научного приборостроения, 630058, Россия, г. Новосибирск, ул. Русская, 41, младший научный сотрудник лаборатории 2-1, тел. (383)306-62-08, e-mail: ilya-neo@ya.ru
Сергей Николаевич Макаров
Конструкторско-технологический институт научного приборостроения, 630058, Россия, г. Новосибирск, ул. Русская, 41, старший научный сотрудник лаборатории 2-1, тел. (383)306-62-08, e-mail: makarovsn@tdisie.nsc.ru
В статье рассматривается возможность создания виброметра на современной элементной базе. Основой метода измерения вибраций является использование интерферометриче-ской схемы, чувствительной к расстоянию до объекта. В результате проведения экспериментов восстановлены сигналы смещения поверхности исследуемого объекта. Сделан вывод о перспективности дальнейшего исследования макета и улучшения его точностных характеристик.
Ключевые слова: вибрация, интерферометр Майкельсона, интерферометрический сигнал, квадратурный сигнал, смещение поверхности.
FIBRE OPTICAL VIBROMETER BASED ON THE MICHELSON INTERFEROMETER
Ilya S. Glebus
Technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering, 630058, Russia, Novosibirsk, 41 Russkaya str., Junior scientist, laboratory 2-1, tel. (383)306-62-08, e-mail: ilya-neo@ya.ru
Sergey N. Makarov
Technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering, 630058, Russia, Novosibirsk, 41 Russkaya str., Senior scientist, laboratory 2-1, tel. (383)306-62-08, e-mail: makarovsn@tdisie.nsc.ru
Research results for designing a vibrometer based on the state-of-the-art circuitry are presented. An interferometric scheme sensitive to the distance to an object is used in the proposed method. As a result of experimental measurements the signals of an object's surface offset are recovered. Further research on the proposed model as well as on improving of its accuracy characteristics is planned.
Key words: vibration, Michelson interferometer, interferometric signal, quadrature signal, surface offset.
1. Введение
Измерение и контроль вибраций необходимы во многих областях промышленности [1]: в микроэлектронике, в машиностроении, на железнодорожном транспорте и т.д.
Для того чтобы удовлетворять основным современным требованиям измерений вибраций, устройства должны обеспечивать: бесконтактный способ, высокое разрешение измерений смещения поверхности, большое рабочее расстояние до объекта, а также возможность работы с высокочастотными вибрациями
поверхности объекта. Потенциально всем этим требованиям удовлетворяют оптические методы измерений.
Цель работы заключается в создании измерителя амплитуды вибраций [2] и исследовании его характеристик.
2. Интерферометрический метод измерения вибраций
Основой данного метода является использование схемы интерферометра Майкельсона [3], чувствительной к расстоянию до объекта. Результирующая интенсивность сигнала на фотоприёмнике интерферометра описывается следующим выражением:
i(l) = 1х + /2 + 2тщ~2 cos сkl (1)
где к - волновое число, L - расстояние до объекта.
Если при наблюдении интерференции использовать только пересечение функции (1) с её средним значением, то можно определить лишь модуль смещения поверхности объекта [4].
Поскольку в общем случае расстояние от поверхности объекта до виброметра может как сокращаться, так и увеличиваться, это приводит к знакопеременному смещению, делает невозможным его правильное определение только по интерферометрическому сигналу и требует наличия квадратурного дополнения для восстановления направления смещения поверхности, т.е. пару сигналов вида:
x(L) ~ cos tkL^ (2)
y(L) ~ sin CkL. (3)
Эта проблема может быть решена путём использования лазеров с перестраиваемой длиной волны (например, DFB лазеров [5]), частотной модуляцией их излучения и фильтрацией сигнала после оптического смешения полей на фотоприёмнике [6].
3. Схема виброметра с квадратурным выходом
За основу схемы, представленной на рис. 1, взят интерферометр Майкель-сона в оптоволоконном исполнении.
Рассмотрим действие виброметра.
Когерентное излучение от DFB-лазера поступает в одномодовое оптическое волокно ОВ1. По волокну излучение попадает в волоконно-оптический смеситель. Пройдя смеситель, излучение попадает в оптическое волокно ОВ2 и распространяется по нему до торца, расположенного в воздушной среде. На торце ОВ2 излучение лазера разделяется на 2 направления: часть излучения выходит из волокна, собирается коллиматором и направляется к объекту (показано сплошной линией); а другая часть излучения отражается от торца волокна (показано пунктирной линией). Излучение, дошедшее до объекта, отражается им (показано штрих-пунктирной линией), вновь собирается коллиматором и вводится в оптическое волокно ОВ2.
Рис. 1. Общая схема виброметра в оптоволоконном исполнении
с квадратурным выходом
В результате в волокно ОВ2 попадает два взаимно-когерентных пучка: отраженный от торца волокна (пунктирная линия) и рассеянный от объекта и собранный коллиматором обратно в волокно (штрих-пунктирная линия). Эти два пучка передаются через смеситель на фотоприемник, где интерферируют друг с другом.
Однако, согласно [6], для измерения вибраций необходимо получить квадратурный сигнал. Поэтому схему (рис. 1) следует дополнить высокочастотной модуляцией тока лазера и последующей обработкой сигнала фотоприемника.
Таким образом, на DFB лазер подается рабочий ток накачки, к которому добавляется небольшой по величине ток модуляции лазера (~10-6 A), задаваемый высокочастотным генератором. Вследствие модуляции, DFB лазер генерирует оптическое излучение с переменной длиной волны, которое используется в оптоволоконной схеме интерферометра для получения на фотоприемнике ин-терферометрического сигнала. Сигнал содержит низкочастотную составляющую, которая соответствует работе интерферометра с фиксированной длиной волны, и высокочастотную составляющую, которая связана с модуляцией тока лазера. Далее фильтры низких и высоких частот [7] разделяют исходный сигнал фотоприемника на две составляющие. При этом низкочастотная составляющая соответствует сигналу, пропорциональному косинусу разницы фаз оптических сигналов (2), а огибающая высокочастотного сигнала после синхронного детектирования - синусу разницы фаз (3).
Далее сформированные сигналы оцифровываются двухканальным АЦП и, наконец, результирующий квадратурный сигнал записывается и обрабатывается с целью восстановления смещения поверхности и дальнейшего анализа ее вибраций.
4. Практическая реализация виброметра
Для проведения экспериментальных исследований измерения амплитуды вибраций, был собран макет на основе схемы, представленной на рис. 1, и установка, структурная схема которой показана на рис. 2.
Рис. 2. Экспериментальная установка для проведения измерений вибраций объекта
При проведении измерений использовалось два режима работы: • Режим вибраций объекта с заданной частотой и амплитудой. В этом режиме на катушку громкоговорителя подается синусоидальный сигнал частотой 30 Гц.
Режим отсутствия сигнала генератора низкой частоты. В этом режиме на катушку громкоговорителя не подается ток от генератора низкой частоты. Однако вибрации могут присутствовать из-за наличия воздушных потоков в помещении, которые могут заставить поверхность диффузора громкоговорителя колебаться. Кроме того, небольшие колебания расстояния могут быть вызваны механическими колебаниями установки, на которой закреплен диффузор и объектив-коллиматор.
Фрагмент восстановленного сигнала смещения поверхности в режиме подачи сигнала на катушку представлен на рис. 3.
Квадратурный интерферометр! гческий сигнал во времени, отн. ед.
Восстановленный сигнал смещения поверхности во времени, мкм
I I
0.005 0,008 0 012 0.016 0.020 0.024 0.028 0.032 0.036 0.040 0.044 С
Рис. 3. Восстановленный сигнал смещения поверхности, вибрирующей на частоте 30 Гц
При изменении расстояния интерференционная картина, как следует из физики процесса, оказывается бегущей. В тех же точках, где скорость движения поверхности нулевая (максимумы и минимумы серой кривой), интерференционная картинка неподвижна, поскольку смещения поверхности в этот момент времени не происходит. Частота колебаний поверхности соответствует частоте сигнала генератора, амплитуда в исследуемой точке равна 4 ± 0,05 мкм. Погрешность измерения смещения поверхности в каждый момент времени определялась по статистическому разбросу данных из цифрового массива, соответствующего нижней кривой на рис. 3.
Фрагмент восстановленного сигнала смещения поверхности в режиме отсутствия сигнала генератора представлен на рис. 4: интерференционная картина - бегущая, интерферометрический сигнал и его квадратурное дополнение меняются во времени. Таким образом, имеет место вибрация поверхности, вызванная собственными колебаниями диффузора и механическими колебаниями установки. Оценка случайных смещений составляет 0,3 ± 0,05 мкм (рис. 4).
Очевидно, что естественная вибрация присутствовала в обоих режимах работы, однако была заметна в первом режиме слабо в силу малых своих значений по отношению к уровню полезного сигнала.
5. Заключение
Целью работы являлось исследование возможностей создания измерителя вибраций на основе современной элементной базы.
В качестве метода измерения вибраций выбрана интерферометрическая схема виброметра. Апробировано использование в схеме оптоволоконных ком-
понент. Собран макет измерителя вибраций, на котором проведены эксперименты по измерению амплитуды вибраций от диффузно-рассеивающей поверхности. В результате анализа экспериментальных данных показано, что макет измерителя вибраций на основе оптоволоконных компонент может регистрировать квадратурный интерферометрический сигнал (в полосе частот 0...22 кГц для выбранного АЦП) и восстанавливать смещение поверхности вибрирующих объектов с погрешностью 0,05 мкм.
Рис. 4. Восстановленный сигнал смещения поверхности в режиме отсутствия сигнала генератора низкой частоты
Полученные результаты свидетельствуют о потенциальной возможности реализации измерителя вибраций с использованием оптоволоконных компонент.
БИБЛИОГРАФИЧ ЕСКИЙ СПИСОК
1. Приборы и системы для измерения вибрации, шума и удара: справочник: в 2 кн.: кн. 1-2. Под ред. В. В. Клюева. - М.: Машиностроение, 1978. - 844 с.
2. Атавин В. Г., Мохнатов А. А., Худяков Ю. В. Возможности измерений амплитуд вибраций гетеродинным лазерным виброметром // Измерительная техника. - 2000. - № 2. -С. 32-34.
3. Fercher A. F. Optical coherence tomography // Journal of Biomedical Optics. - 1996. -Vol. 1, iss. 2. - P. 157-173. - doi: 10.1117/12.231361.
4. Ландсберг Г. С. Оптика. - М.: Наука, 1976.
5. Звелто О. Принципы лазеров: пер. с англ. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Мир, 1990. - 559 с.
6. Глебус И. С., Макаров С. Н., Чугуй Ю. В. Бесконтактный интерферометрический измеритель вибраций на основе волоконной оптики // Научный вестник НГТУ. - 2014. -№ 4 (57). - С. 49-58.
7. Романов И. Активные RC-фильтры: схемы и расчеты // Радио. - 1995. - № 3. - С. 45-48.
© И. С. Глебус, С. Н. Макаров, 2015
